Размещено на http: //www. allbest. ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Разработка методов повышения эффективности механизированных производственных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве

Арютов Борис Александрович

Мичуринск 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Важенин Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Тишанинов Николай Петрович

доктор технических наук, профессор Юсупов Рамазан Хабибрахманович

доктор технических наук, профессор Макаров Валентин Алексеевич

Ведущая организация: НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого

Защита диссертации состоится «___» ___________ 2009 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при Мичуринском государственном аграрном университете по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мичуринского государственного аграрного университета, а с авторефератом на сайте ФГОУ ВПО МичГАУ www. mgau. ru

Автореферат разослан « » 2009 года и размещен на сайте МичГАУ

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Н.В. Михеев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

растениеводство сельскохозяйственный культура климатический

Актуальность проблемы. В условиях рискованного земледелия с неопределенностью влияния природно-климатических и эксплуатационных факторов традиционные методы повышения эффективности производственных процессов ориентированы на средние или климатические показатели условий (на одну погодную ситуацию) и нормативные эксплуатационные показатели. Вместе с тем, складывающиеся сезонные и ситуационные условия предопределяют допустимые темпы проведения полевых механизированных работ, внеплановые изменения технологий, методы организации использования техники и, в конечном итоге, уровни затрат и прибыли.

Практика сельскохозяйственного производства нуждается в разработке заблаговременных оценок условий функционирования технических средств в растениеводстве с тем, чтобы можно было учесть эти оценки в проектировании производственных процессов, в реализациях соответствующих мероприятий по организации и использованию техники. В связи с этим настоящая работа представляет теоретическую значимость и практический интерес.

Сущностью решаемой научной проблемы является необходимость обоснования закономерности функционирования механизированных технологий, систем и средств их реализации с целью обеспечения роста эффективности производства продуктов растениеводства. Решение проблемы способствует сокращению потерь продукции и энергетических затрат, увеличению производительности труда.

Исследования и разработки, составляющие основу диссертационной работы, выполнены в соответствии с пятилетними планами научно-исследовательских работ Нижегородской ГСХА, координационной программой по проблеме «Разработать системы технологизации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации Северо-Кавказского, Приволжского и Уральского федеральных округов».

Цель работы. Повышение эффективности производственных процессов растениеводства путем их оптимизации в складывающихся условиях функционирования.

Объект исследования. Производственные процессы в растениеводстве и условия их функционирования.

Предмет исследования. Зависимости ситуационной потребности и использования технических средств растениеводства от складывающихся условий их функционирования.

Методы исследований. В теоретических исследованиях используются элементы теории систем, методы динамического анализа механизмов и машин, теория автоматического управления. В основу исследований природно-климатических и агрометеорологических условий функционирования производственных процессов растениеводства положен метод сопряженности наблюдений П.И. Броунова с последующим применением теории вероятностей и математической статистики, теории подобия. Экспериментальные исследования выполнены с использованием отраслевых методик хронометражных наблюдений за работой машинно-тракторных агрегатов. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики. Оптимизация производственных процессов растениеводства в складывающихся условиях их функционирования основывается на методе выбора пробных точек в многомерном пространстве параметров с помощью равномерно распределенных последовательностей, определение стратегии технической обеспеченности проводится с использованием теории игр.

Научная новизна работы:

- выявлены прогнозируемые функции роста сельскохозяйственных культур, которые позволяют подчинить им ход производственных процессов;

- синтезирована аналоговая схема модульной структуры адаптации производственных процессов в растениеводстве к функциям роста сельскохозяйственных культур и складывающимся погодно-производственным ситуациям;

- разработана и апробирована динамическая модель машинно-тракторного агрегата, адаптированная к изменяющимся условиям функционирования производственных процессов в растениеводстве;

- экспериментальные исследования составляющих баланса времени смены в различных условиях функционирования производственных процессов позволили построить регрессионные модели, корректирующие типовые нормы выработки на полевые механизированные работы относительно изменяющихся ситуаций при оптимизации режимов работы технических систем в растениеводстве;

- обоснована постановка многокритериальной оптимизации - одновременно учитывать множество противоречивых критериев, что привело к созданию качественно нового метода проектирования производственных процессов в растениеводстве с использованием диалога «человек - компьютер».

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Результаты исследований совершенствуют существующие методы оптимизации производственных процессов растениеводства, могут быть использованы в сельскохозяйственных предприятиях при адаптации технологий возделывания и уборки сельскохозяйственных культур к региональным условиям, а также для совершенствования инженерно-технологического обеспечения АПК.

Разработанные модели и алгоритмы апробированы для широкого внедрения в производство и дают значительный экономический эффект, подтвержденный соответствующими актами внедрения.

Результаты исследований прошли производственную проверку в сельскохозяйственных предприятиях, использовались при разработке нормативов потребности в технике по агрорайонам Нижегородской области, в рамках координационной федеральной программы по проблеме «Разработать системы технологизации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации Северо-Кавказского, Приволжского и Уральского федеральных округов» на 2001 … 2005 гг.

Материалы исследований, учебные пособия используются в учебных процессах инженерных факультетов вузов Минсельхоза России.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Нижегородской ГСХА (1981 - 2008 гг.), Ульяновской ГСХА (1987 г.), НИПТИМЭСХ НЗ (Санкт-Петербург - Пушкин, 1994 г), Челябинского ГАУ (2004 г.), 4-ой международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение технологий и технических средств для АПК Северо-Восточного региона Российской Федерации» 10…11 июля 2007 г. в НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого, международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения И.П. Терских «Актуальные проблемы эксплуатации машинно-тракторного парка, технического сервиса, энергетики и экологической безопасности в агропромышленном комплексе» (Иркутск, 25…27 сентября 2007 г.), научной международной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» 20..27 ноября 2007 г. в Шарм-эль-шейх (Египет), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 65-летию Ульяновской ГСХА и 20-летию кафедры безопасности жизнедеятельности и энергетики «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» (Ульяновск, 6…8 февраля 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 научных работ, в том числе 8 - в рецензируемых изданиях, рекомендуемых экспертным советом ВАК, 4 - в материалах международных конференций, получены два патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 281 наименования, приложений. Работа содержит 335 страниц основного текста и приложения, включает 11 таблиц и 27 рисунков.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность исследований, сформулирована научная проблема, цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние проблемы» на основании анализа научных работ, литературных источников и производственного опыта по исследуемой проблеме рассмотрены пути повышения эффективности производственных процессов растениеводства, дано обоснование приоритетных направлений исследований.

Научной основой работ по разработке методов повышения эффективности механизированных производственных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве являются труды Авербуха С.Л., Агеева Л.Е., Алешкина В.Р., Аллилуева В.А., Болотова А.С., Бутко В.Н., Важенина А.Н., Веденяпина Г.В., Виноградова В.И., Горбунова Б.И., Горячкина В.П., Драгайцева В.М., Еленева А.В., Еникеева В.Г., Завалишина Ф.С., Завражнова А.И., Зангиева А.А., Зуева В.М., Иофинова С.А., Капустина В.П., Кашпуры Б.И., Киртбая Ю.К., Кормановского Л.П., Краснощекова Н.В., Кряжкова В.М., Курбанова Р.Ф., Лисунова Е.А., Литварева Б.А., Лурье А.Б., Макарова В.П., Мухамадьярова Ф.Ф., Павлова Б.В., Саклакова В.Д., Свирщевского Б.С., Сергеева М.П., Синюкова М.И., Сысуева В.А., Тишанинова Н.П., Финна Э.А., Фортуны В.И., Хабатова Р.Ш., Шахмаева М.В., Юсупова Р.Х. и многих других ученых.

Оценка общего состояния проблемы повышения эффективности производственных процессов в растениеводстве показывает, что соблюдение технологической дисциплины в современных условиях использования техники на полевых механизированных работах по реализации прогрессивных технологий тесно связано с постоянно меняющимися природными, технико-технологическими и производственными условиями. Методические подходы к количественному и качественному учету условий функционирования производственных процессов в задачах оптимизации состава технических средств, их использования до сих пор находятся в стадии разработок.

В соответствии с поставленной целью, на основании результатов анализа состояния проблемы, сформулированы следующие задачи исследований:

1. Обосновать концептуальные основы по повышению эффективности функционирования технологических систем возделывания и уборки сельскохозяйственных культур.

2. Исследовать условия функционирования и выявить закономерности их влияния на эффективность производственных процессов растениеводства.

3. Разработать экономико-математическую модель и методы повышения эффективности механизированных производственных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве.

4. Разработать рекомендации стратегической технической оснащенности производственных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве.

5. Провести экспериментальные исследования и производственную проверку оптимизации производственных процессов в растениеводстве.

Во втором разделе «Теоретические основы повышения эффективности производственных процессов при различных условиях их функционирования в растениеводстве» сделано обоснование общих системных принципов формирования технологических систем растениеводства.

Повышение эффективности производственных процессов растениеводства возможно двумя путями: совершенствованием методов и средств экспериментирования; развитием соответствующих идей и концепций. Первый подход связан с описанием изучаемого объекта, второй - с попыткой объяснения его сущности. Для осуществления второго подхода необходимо соотнести описание реакции производственной системы в целом с описаниями других явлений, которые свойственны более низким уровням этой организационной иерархии (рисунок 1).

На основании общей модели производственного процесса:

,

Иерархия подсистем в технологической системе производственных процессов растениеводства

где - производственный -продукт; - производственный -продукт; - коэффициент удельных капиталовложений; - интенсивность потребления, возможна оптимизация производственных процессов растениеводства в среднемноголетних условиях их функционирования (оптимизация стратегии), но адаптация этой модели к изменяющимся погодно-производственным ситуациям требует более детального математического описания.

Локальная модель производственного процесса:

,

где - множество переменных состояния производственного процесса; - множество всех значений управления производственным процессом; - множество погодно-производственных ситуаций (возмущений), определяет алгоритм поиска при наличии помех, позволяет оптимально достигать главной конечной цели производства (максимума прибыли) на каждом этапе функционирования системы с соблюдением множества ограничений (информационных, вычислительных и др.).

Адаптированная к складывающимся погодным ситуациям одномассная динамическая модель машинно-тракторного агрегата, полученная приведением сил и масс из уравнения движения в форме интеграла энергии:

,

где - часовая производительность агрегата; - рабочая ширина захвата агрегата; - коэффициент, характеризующий относительное уменьшение максимальной тяговой мощности трактора при изменении влажности почвы (вследствие изменения сопротивления) против нормативной на 1%; - влажность почвы; - приведенная масса агрегата; - значение обобщенной координаты агрегата; - значение приведенной силы агрегата; - модуль скорости точки приведения агрегата, позволяет учитывать изменение влажности почвы при установлении производительностей полевых механизированных работ.

Оптимизация механизированных производственных процессов по условиям функционирования в растениеводстве сводится к решению задачи вида

где - экстремизируемые функционалы; - условия функционирования производственной системы; - структура производственного процесса; - исследуемые технико-технологические параметры; - ограничения.

Цель поставленной задачи определяют критерии оптимизации и структура ограничений (рисунок 2). Два контура оптимизации соответствуют двум видам оптимизации - параметрической (по ) и структурной (по ).

Структурная оптимизация состоит из трех этапов (рисунок 3).



1 -- составление таблиц испытаний. Выбирают N пробных точек , равномерно расположенных в подмножестве А. В каждой из точек вычисляются все локальные критерии . По каждому критерию составляется таблица испытаний, в которой значения расположены в порядке возрастания

,

где -- номера соответствующих пробных точек (номера испытаний для каждого значения ).

2 -- выбор критериальных ограничений. Рассматривая поочередно каждую из таблиц, при этом необходимо назначить ограничения . Исследователь заинтересован в уменьшении этих значений, но если выбирать все слишком малыми, то множество допустимых точек Е может оказаться пустым. Анализ таблиц испытаний проводится для обоснованного выбора решающего критерия , так как позволяет учесть не только предварительные указания о роли отдельных критериев , но и их действительные возможности.

3 -- проверка разрешимости задачи. Фиксируют какой-либо из критериев, например , и рассматривают соответствующую ему таблицу. Путем перебора имеющихся значений при всех значениях нетрудно проверить, есть ли среди точек хотя бы одна такая, для которой справедливы одновременно все неравенства

.

Если такая точка есть, то множество Е непусто, и задача разрешима. В противном случае следует вернуться ко второму этапу и ослабить ограничение . Если такой шаг крайне нежелателен, то можно вернуться к первому этапу и увеличить число пробных точек, чтобы повторить второй этап с таблицами испытаний большего объема.

Анализ таблиц испытаний позволяет обнаружить несущественные критерии, значения которых мало меняются; выявить зависимые или, наоборот, противоречивые критерии; определить влияние параметрических ограничений на интегральный критерий; выделить несущественные по отношению к какому-либо критерию параметры; выделить паретовское множество решений, определить оптимальные параметры. К наиболее важным результатам анализа таблиц испытаний следует отнести получение допустимого множества моделей и определение ресурсных возможностей моделей по всем локальным критериям качества. Такой подход впервые позволяет вводить в рассмотрение столько локальных критериев, сколько необходимо.

Параметрическая оптимизация реализуется в виде поисковой системы, в которой недостаток априорной информации восполняется за счет текущей, получаемой в виде реакций объекта на искусственно вводимые поисковые воздействия. Некоторые поисковые воздействия вычисляются на основе совокупности прогнозируемых величин, т.е. рассматривается функционал на прогнозируемом движении объекта.

Алгоритм параметрической оптимизации имеет вид

где - шаг управления; - окрестность виброрежима; - слоговый символ, означает - знаковая функция; - символ дифференцирования по времени; - область значений вектора состояния;



Его реализация имеет модульную структуру (рисунок 4), причем в каждом модуле происходит лишь линейное и релейное преобразование сигналов.

В третьем разделе «Исследование природно-климатических условий функционирования производственных процессов в растениеводстве» изложены методы и результаты исследований, их практические реализации, направленные на повышение эффективности производственных процессов растениеводства.

Повышение эффективности механизированного земледелия требует учета агрометеорологических факторов на всех уровнях принятия хозяйственных решений, что объясняется чрезвычайно сильной зависимостью урожайностей сельскохозяйственных культур от почвенно-климатических ресурсов и погодных условий - в основном света, тепла, влаги, питательных элементов.

Оценка агрометеорологических условий включает характеристику состояния сельскохозяйственных культур как отражение взаимодействия погоды с объектами растениеводства и производственными процессами. В основу метода оценки положен разработанный П.И. Броуновым принцип сопряженности наблюдений. Цикл роста растения отмечен рядом маркеров, разделяющих между собой его периоды (рисунок 5). Каждый такой период, за редким исключением, отстоит от предыдущего на отрезке времени, близком ситуационному периоду проектирования. Поэтому, исследовав зависимости продолжительностей периодов развития сельскохозяйственных культур от ряда погодно-климатических факторов, можно учитывать эти факторы при оптимизации производственных процессов растениеводства. В основе исследований лежит множественно корреляционно-регрессионный анализ с использованием метода наименьших квадратов. При выборе числа и состава факторных переменных использовался метод пошаговой регрессии.

В результате исследований получены зависимости, представленные в таблице 1.

Таблица 1Уравнения регрессии функций роста сельскохозяйственных культур

Культуры	Периоды	Начало периода	Конец периода	Продолжительность периода	Независимые переменные
1	2	3	4	5	6
Яровые зерновые	Довсходовый	Возобновление вегетации озимых	Появление всходов яровых		- длительность светового дня в начале периода, ч; - запас продуктивной влаги в метровом слое почвы на начало периода, мм; - средняя за вегетативный период температура воздуха, 0С; - средняя за репродуктивный период температура воздуха, 0С.
	Вегетативный	Появление всходов яровых	Начало цветения яровых
	Репродуктив-ный	Начало цветения яровых	Начало восковой спелости яровых
Озимые зерновые	Довсходовый	Начало цветения клевера	Появление всходов озимых		- длительность светового дня в начале периода, ч; - запас продуктивной влаги в метровом слое почвы на начало периода, мм; - средняя за вегетативный период температура воздуха, 0С; - среднее за период количество осадков, мм; - средняя за репродуктивный период температура воздуха, 0С.
	Вегетативный	Возобновление вегетации озимых	Начало цветения озимых
	Репродуктивный	Начало цветения озимых	Начало восковой спелости озимых
Картофель	Довсходовый	Возобновление вегетации озимых	Появление всходов картофеля		- длительность светового дня в начале периода, ч; - средняя за вегетативный период температура воздуха, 0С.
	Вегетативный	Появление всходов картофеля	Начало цветения картофеля
Клевер	Вегетативный	Возобновление вегетации клевера	Начало цветения клевера		- средняя за вегетативный период температура воздуха, 0С; - средняя за репродуктивный период температура воздуха, 0С.
	Репродуктивный	Начало цветения клевера	Начало созревания клевера
Кукуруза	Довсходовый	Возобновление вегетации озимых	Появление всходов кукурузы		- средняя за период температура воздуха, 0С; - среднее за период количество осадков, мм; - средняя за вегетативный период температура воздуха, 0С; - среднее за период количество осадков, мм.
	Вегетативный	Появление всходов кукурузы	Начало цветения кукурузы

Они могут иметь универсальное практическое применение в проектировании использования техники при полевых механизированных работах, так как значения независимых переменных с приемлемой оправдываемостью прогнозируют синоптики.

Основной характеристикой ситуационного построения производственных процессов является темп проведения работ. Он отражает ограничения на выполнение суточного объема работы при нормативной ее продолжительности. Влияние погодных условий на темпы проведения работ учитываются статистически обоснованными коэффициентами погодности, дифференцированными нами по интервалам прогнозируемых характеристик погоды, видам работ при различной сменности (рисунок 6).



Дифференцированный учет коэффициентов погодности позволяет сократить биологические потери на 20 … 25% от валового сбора урожая.

Анализ агротехники возделывания пропашных культур показывает, что в условиях недостаточного или повышенного увлажнения наиболее эффективны ленточные технологии. Ленточная технология включает ресурсосберегающую систему обработки почвы, полосное и объемное рыхление. Ресурсосбережение достигается за счет замены зяблевой вспашки на глубину 20-22 см таким ресурсосберегающим приемом, как рыхление. Однако эта технология требует доработки технических средств, включая создание активных рабочих органов.

Разработанное устройство для обработки почвы (рисунок 7) имеет принудительный привод рабочих органов, вращающихся вокруг вертикальных осей. Конструкция направлена на снижение энерго- и металлоемкости процесса обработки почвы и повышение урожайности сельскохозяйственных культур.

Это достигается тем, что устройство содержит каркас 1, внутри которого горизонтально в ряд расположены цилиндрические зубчатые колеса 2. Каждая из паразитных шестерен закреплена на вертикальном валу 3, нижняя часть которого служит для креплений П-образного рабочего органа - ножевого рыхлителя 4. Приводные шестерни имеют диаметр начальной окружности, равный 1/3 величины междурядья возделываемой сельскохозяйственной культуры. П-образные рыхлители 4 выполнены с радиусом вращения на 50 мм больше радиуса начальной окружности цилиндрической шестерни и устанавливаются только на валах 11 и 12, совпадающих с центрами рядков будущих растений. При сплошной обработке почвы ножевые П-образные рыхлители выполнены с радиусом вращения на 25 мм больше радиуса начальной окружности цилиндрической шестерни и устанавливаются на каждом валу устройства с возможностью вращения попарно в противоположных направлениях.

Такая конструкция позволяет применять устройство, как для ленточной, так и для сплошной обработки почвы.

Экспериментальные исследования устройства при различной влажности почвы показали высокую его эффективность при ленточной энергосберегающей технологии обработки почвы. Производительность в сравнении с технологией сплошной обработки увеличилась в 1,3 … 1,5 раза, расход топлива снизился в 1,4 … 1,6 раза. По показателю удельной металлоемкости ленточная технология оказалась эффективнее сплошной обработки в 1,6 … 1,8 раза, по энергоемкости - в 2,1 … 2,3 раза. Прогнозируемая урожайность картофеля увеличивается в 1,2 … 1,3 раза.



Полиномиальная аппроксимация экспериментальных данных (рисунок 8) позволяет адаптировать процесс обработки почвы к почвенно-климатическим условиям.

В четвертом разделе «Исследование влияния составляющих баланса времени смены на функционирование производственных процессов в различных условиях» представлены методика, результаты исследований затрат времени в структуре рабочего дня МТА, позволяющие адаптировать типовые нормы выработки и расхода топлива на полевые механизированные работы к изменяющимся условиям функционирования производственных процессов при их оптимизации.

Анализ экспериментальных данных обнаруживает тесную корреляцию времени чистой работы с продолжительностью рабочего дня (коэффициент корреляции - 0,6). Аппроксимация выявленной зависимости параболой шестого порядка (рисунок 9) говорит о том, что увеличение продолжительности рабочего дня не дает прямо пропорционального увеличения времени чистой работы.



Увеличение времени смены свыше 7,5 часов приводит к уменьшению времени чистой работы, а, следовательно, к снижению производительности агрегатов. Однако десятичасовая продолжительность оправдана, т.к. в диапазоне 9 - 11,5 часов функция возрастает, и только затем следует устойчивый спад.



В общем балансе времени смены производительным является только рабочее время. Поэтому в качестве обобщающих параметров учета эффективности функционирования производственных процессов в растениеводстве можно принять коэффициент использования времени смены

 и коэффициент использования циклового времени смены

,

где - продолжительность рабочего дня, ч; - время на повороты вхолостую, ч; - время технического обслуживания, ч; - время чистой работы, ч (индексы в обозначениях соответствуют шифровке затрат времени смены при проведении эксперимента).

Статистическая динамика этих характеристик отображается нормированными корреляционными функциями (рисунок 10), где процесс изменения коэффициента использования времени смены во времени представляет собой нестационарный ряд, переходящий в полностью случайный. Однако изменение коэффициента использования циклового времени смены характеризуется краткосрочными корреляциями в пределах времени оперативного управления, т.е. параметр прогнозируемый. Прогнозные модели (рисунок 11) могут использоваться в оперативном управлении (следящий прогноз) и оптимизации производственных процессов в растениеводстве.



Прогнозные модели

В пятом разделе «Повышение эффективности производственных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве» представлены модель и алгоритм многокритериальной оптимизации производственных процессов в растениеводстве при различных условиях их функционирования, реализация результатов исследования и их экономическая эффективность.

Проведенные исследования позволили разработать алгоритм оптимизации производственных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве, который может быть представлен структурной схемой на рисунке 12. Связующим параметром адаптации производственного процесса к функции роста растения является коэффициент естественных биологических потерь урожая, а к прогнозируемому синоптиками изменению погодных условий - коэффициент погодности. Данная схема включает в себя блок упорядочения параллельных производственных процессов, так как в напряженные по погодно-производственным условиям календарные периоды возникает задача определения максимального числа работ npmax, которое может быть выполнено одним трактором.

Структурная схема алгоритма оптимизации производственных процессов в растениеводстве при различных условиях их функционирования

Алгоритм расчета приведен на рисунке 13. Исходными данными являются: количество одновременно выполняемых работ п в напряженный период продолжительностью t0, время i работы Tpi и неиспользованное время работы

Tt из продолжительности напряженного периода. Считается, что каждая i paбота выполняется в соответствии с операционной технологией, адаптированной к погодно-производственным условиям, а трактор работает в режиме, близком к номинальному, т.е. минимально. Время . Абсолютное время работы трактора фиксируется счетчиком 1, а время не использования - счетчиком 2.



Структурная схема регулирования параллельных производственных процессов растениеводства

В соответствии с логическими условиями, реализуемыми в блоках 3 и 4, рассчитывается время наложения работ и время простоя трактора . Расчет заканчивается, когда достигнет значения (блок 5), на печать выводится критерий оптимальности

,

коэффициент использования календарной продолжительности ,

и коэффициент использования трактора .

Рассчитывая по программе различные варианты адаптации производственного процесса различным погодно-производственным условиям функционирования техники, можно по полученным значениям выбрать наилучший. Значения характеризуют степень использования календарной продолжительности каждой работы. Очевидно, что следует добиваться большего значения на той работе, стоимость которой выше. Сопоставляя полученные коэффициенты и с и , рассчитанные в соответствии с нормативной документацией, можно судить об эффективности производственного процесса, а сравнивая и между собой - намечать мероприятия для более равномерной загрузки техники. Если << , то следует уменьшить число работ, выполняемых одним трактором.

Апробация предлагаемого алгоритма регулирования параллельных производственных процессов растениеводства в различных условиях ООО Агрофирмы «Борская» показала высокую его эффективность.

Потребность в тракторах уменьшилась в сравнении с нормативными показателями от одного (Т-150К) в среднемноголетних почвенно-климатических условиях их эксплуатации до восьми (3 - МТЗ-80(82) и 5 - Т-150К) в благоприятные сезоны. Оказалось целесообразным в некоторых случаях удлинение агротехнических сроков проведения полевых работ, допуская естественные биологические потери урожая, оцениваемые от 29 до 827 тыс. руб. в зависимости от складывающихся погодных и производственных условий. При этом происходит уменьшение эксплуатационных затрат соответственно от 2850 до 4880 тыс. руб.

Технико-экономическая модель структурной оптимизации технологического процесса посева яровых зерновых культур включает в себя функциональные ограничения и локальные критерии качества.

Ограничения характеризуют техническую производительность, рассчитанную при технически допустимых условиях использования ширины захвата, теоретической скорости и времени смены, :

,

- расход топлива на единицу выполненной работы, :

,

- Размещено на http: //www. allbest. ru/

затраты труда на единицу выполненной работы, :

,

 - эксплуатационные затраты на единицу выполненной работы, :

.

Свойства проектируемого технологического процесса оценивались по четырем локальным критериям. Локальные критерии качества представляются в следующем виде:

-

характеризует ритм работ;

- топливную экономичность поточной линии;

-

трудоемкость выполнения работ;

- стоимость выполнения работ.

В области изменения заданных параметров при определенных функциональных ограничениях было поведено 1500 испытаний по отбору моделей. В таблицу испытаний попало 114 моделей; функциональный коэффициент эффективности отбора .

Оптимальной по структуре оказалась модель : МТЗ-82 + МВУ-5 > Т-150 + КШУ-12 > МТЗ-82 + СП-11 + 2ВИП-5,6 + 2•3ККШ-6 > 2(Т-150 + СП-11 + 3СЗА-3,6), соответствующая схеме г (рисунок 14), где все работы за исключением внесения удобрений заканчиваются одновременно. Внесение удобрений и культивация начинаются одновременно, но только культивация проводится полный световой день. Прикатывание с выравниванием начинаются раньше посева. Условие неразрывности технологического процесса для данной схемы: , где - производительность внесения минеральных удобрений, - производительность культивации, - производительность выравнивания с прикатыванием, - производительность посева с внесением минеральных удобрений.



Параметрическая оптимизация проводилась с учетом различных почвенно-климатических условий. Исходные данные соответствуют типичному для центральной части Нижегородской области хозяйству. Климатические условия определяются метеорологическими данными за последние 30 лет.

Проведенный машинный эксперимент выявил, что потребность в технике изменяется от трех единиц формирований по модели до четырех.

В таком случае возникает задача определения стратегии технического оснащения производства.

Решение задачи оптимизации технической оснащенности производственных процессов в растениеводстве с учетом различных условий их функционирования возможно методами теории игр, интенсивно развивающейся математической дисциплины, предметом исследования которой являются методы принятия решений в конфликтных ситуациях. Однако в нашем случае один из игроков, природа, оказывается нейтральным, т.е. таким, который не стремится извлечь для себя максимальной выгоды и, следовательно, не стремится обратить в свою пользу ошибки, совершаемые противником. Здесь в понятие «природа» мы вкладываем всю совокупность внешних обстоятельств (изменяющиеся условия функционирования производственных процессов в растениеводстве), в которых приходится принимать решение (оптимизация стратегии технического оснащения производственных процессов в растениеводстве).

В нашем случае множеству стратегий природы противопоставляется два варианта технической оснащенности. Оказалось, что при одинаковой технической оснащенности в различные годы функция потерь изменяется в зависимости от условий функционирования (рисунок 15). Возникает задача принципа выбора своей стратегии: какие значения функции потерь закладывать в статистическую игру?

Одним из возможных принципов выбора стратегии может быть принцип минимакса, который успешно применяют в стратегических играх, когда игра ведется против разумного противника, желающего причинить нам наибольший ущерб.



Принимая структуру статистической игры и метод ее решения можно составить расчетную таблицу 2.

Таблица 2 Статистическая игра

Состояния природы	Распределение вероятностей состояний природы	Функция потерь при различных вариантах технической оснащенности
	0,9	5243	5738
	0,1	6825	6026

Байесовским будет установление режима а1 - три единицы формирования по модели , т.е. требуется: тракторов: Т-150 - 9; МТЗ-82 - 6; сцепок: СП-11 - 9; сельскохозяйственных машин: МВУ-5 - 3; КШУ-12 - 3; ВИП-5,6 - 6; 3ККШ-6 - 6; СЗА-3,6 - 9.

Предлагаемый метод расчета использовался при разработке нормативов потребности в технике и системы машин в земледелии по агрорайонам Нижегородской области.

Затраты на эксплуатацию технических средств в значительной степени определяются объемом работ, при постоянном количественном и качественном составе техники мало изменяются в удельном исчислении относительно изменения биологических потерь. При этом биологические потери по зерновым культурам значительно превосходят другие. Поэтому оценка экономической эффективности результатов исследований проведена нами по удельной стоимости биологических потерь урожая зерновых культур:

,

где - коэффициент потерь урожая i-ой сельскохозяйственной культуры на j-ой работе, сутки-1; - урожайность i-ой сельскохозяйственной культуры, ; - закупочно-сдаточная цена i-ой сельскохозяйственной культуры, ; - рациональная календарная продолжительность j-ой работы на i-ой работе, сутки; - нормативная календарная продолжительность j-ой работы на i-ой работе, сутки.

На рисунке 16 представлена динамика изменения биологических потерь и экономическая эффективность производственных процессов в Агрофирме «Борская» на протяжении семи лет. Годовой экономический эффект изменяется в различные по условиям функционирования производственных процессов годы от 255 до 1360. Эффективность по средним потерям при наличном составе машинно-тракторного парка составляет 607,5.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Низкая эффективность производственных процессов в растениеводстве главным образом обусловлена несоответствием их технико-технологических параметров почвенно-климатическим условиям. При этом около 65% потерь приходится на биологические потери продукции, которые возникают при вынужденном нарушении агротехнических сроков. Сроки начала полевых работ нарушаются в отдельные годы на 2 - 3 недели, а фактические продолжительности использования техники превышают агротехнические в 5 и более раз.

Потери биологические и эффект от сокращения биологических потерь в агрофирме «Борская» на протяжении ряда лет (нарастающий итог)

Методы использования технических средств в растениеводстве не обладают свойством разнообразия воздействий на производственные процессы, а применяемые для этих целей критерии не отражают реальных результатов. Потенциальные возможности производства не реализуются.

2. Предлагаемые научными учреждениями коэффициенты учета почвенно-климатических факторов в механизации растениеводства при сезонном проектировании и оперативном управлении производственными процессами не всегда объективны, но поддаются дифференциации по интервалам прогнозируемых характеристик погоды.

Дифференцированный учет коэффициентов погодности позволяет сократить биологические потери на 20 … 25% от валового сбора урожая.



3. Оценки агрометеорологических условий, как отражение взаимодействия погоды с объектами растениеводства и производственными процессами, позволили получить уравнения регрессии прогноза фенологических фаз развития сельскохозяйственных культур, совпадающие с периодами полевых механизированных работ. Связующим параметром производственных процессов с функциями роста сельскохозяйственных культур служит оптимальная календарная продолжительность, адаптированная к функциям роста коэффициентами естественных биологических потерь урожая.

Практические реализации такой модели показывают, что при площади яровых зерновых культур 1000 га и средней урожайности 20 биологические потери урожая в сутки только на уборочных работах уменьшаются на 2,64 т зерна.

4. При исследовании составляющих баланса времени функционирования МТА установлено, что увеличение продолжительности рабочего дня не дает пропорционального увеличения времени чистой работы. Увеличение времени смены свыше 7,5 часов приводит к уменьшению времени чистой работы, а, следовательно, к снижению производительности агрегатов. Однако десятичасовая продолжительность оправдана, т.к. в диапазоне 9 - 10 часов время чистой работы возрастает, и только затем следует устойчивый спад.

Из обобщающих характеристик времени функционирования производственных процессов выявлен прогнозируемый параметр - коэффициент циклового времени смены. Прогнозные модели в области его изменения от 0,79 до 0,96 позволяют корректировать типовые нормы выработки и расхода топлива на механизированные полевые работы в зависимости от складывающихся условий.

5. Исследования энергосберегающих ленточных технологий возделывания пропашных культур при различных почвенно-климатических условиях функционирования МТА на основе разработанного нами устройства для обработки почвы показали их высокую эффективность.

Производительность в сравнении с технологией сплошной обработки увеличилась в 1,3 … 1,5 раза, расход топлива снизился в 1,4 … 1,6 раза. По показателю удельной металлоемкости ленточная технология эффективнее сплошной обработки в 1,6 … 1,8 раза, по энергоемкости - в 2,1 … 2,3 раза. Прогнозируемая урожайность картофеля увеличивается в 1,2 … 1,3 раза.

6. При синтезе параллельных производственных процессов растениеводства в напряженные по погодно-производственным условиям календарные периоды работ возникает необходимость их упорядочения.

Многолетняя апробация предлагаемого алгоритма регулирования параллельных производственных процессов растениеводства в различных погодных условиях ООО Агрофирмы «Борская» показала высокую его эффективность.

Потребность в тракторах уменьшилась в сравнении с нормативными показателями от одного (Т-150К) в среднемноголетних погодно-климатических условиях их эксплуатации до восьми (3 - МТЗ-80(82) и 5 - Т-150К) в благоприятные сезоны. Оказалось целесообразным в некоторых случаях удлинение агротехнических сроков проведения полевых работ, допуская естественные биологические потери урожая, оцениваемые от 29 до 827 тыс. руб. в зависимости от складывающихся погодных и производственных условий. При этом происходит уменьшение эксплуатационных затрат соответственно от 2850 до 4880 тыс. руб.

7. Предлагаемый обобщенный метод постановки и решения задач оптимального проектирования с использованием диалога «человек -- компьютер» позволяет следующее:

учитывать столько критериев качества, сколько необходимо для полного исследования условий функционирования производственных процессов в растениеводстве (с позиций различных противоречивых критериев, таких, как эксплуатационные затраты, производительность, расход топлива, затраты труда и т.п.);

определить допустимое множество решений;

обнаружить несущественные критерии, значения которых мало меняются;

выявить зависимые или, наоборот, противоречивые критерии;

определить влияние параметрических ограничений на интегральный критерий;

выделить несущественные по отношению к какому-либо критерию параметры;

сформировать интегральные критерии и определить на допустимом множестве решений оптимальные параметры проектируемых производственных процессов.

Эффективность предлагаемого метода при оптимизации посева яровых зерновых культур изменяется от 3100 до 5600 в зависимости от почвенно-климатических условий.

8. Состав и структура машинно-тракторного парка для всего многообразия погодных условий определялись при разработке нормативов потребности в технике и системы машин в земледелии по агрорайонам Нижегородской области с помощью статистической игры, основанной на распределении вероятностей типовых сезонов. В результате установлено, что постоянный парк следует формировать, исходя из средних многолетних условий.

Ежегодное пополнение парка на замену списанным машинам в Нижегородской области следующее: тракторов 2757 шт.; комбайнов зерноуборочных 596 шт.; сеялок 771 шт.; культиваторов 1050 шт. и другой техники в пределах 10% от потребного количества.

9. Реализации мероприятий, заложенных в методах повышения эффективности функционирования производственных процессов при различных условиях на протяжении семи лет в Агрофирме «Борская», оказались эффективными. Годовой экономический эффект составил в различные годы от 255 до 1360, по средним потерям при наличном составе машинно-тракторного парка - 607,5.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Важенин, А.Н. Динамическая модель МТА с учетом условий его функционирования [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов, А.В. Пасин // Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2007.- № 9.- С.21-23.

2. Пасин, А.В. Сезонное расписание и темпы выполнения полевых механизированных работ [Текст] / А.В. Пасин, Б.А. Арютов, Р.В. Кошелев, А.И. Новожилов // Механизация и электрификация сельского хозяйства.- 2007.- № 11.- С.2-4.

3. Арютов, Б.А. Повышение эффективности производственных процессов в растениеводстве [Текст] / Б.А. Арютов, А.И. Новожилов, А.В. Пасин, С.А. Соколов // Техника в сельском хозяйстве.- 2007.- № 6.- С.50-51.

4. Арютов, Б.А. Процедуры многокритериальной оптимизации производственных процессов в растениеводстве [Текст] / Б.А. Арютов, А.В. Пасин, А.В. Бакланов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ.- 2007.- № 3/1.- С.61-65.

5. Важенин, А.Н. Оптимальная сезонная продолжительность выполнения полевых механизированных работ [Текст] / А.Н. Важенин, А.В. Пасин, Б.А. Арютов, Р.В. Кошелев // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ.- 2007.- № 3/2.- С.67-69.

6. Важенин, А.Н. Регулирование движения МТА [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов, А.В. Пасин // Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2008.- № 2.- С.28-29.

7. Важенин, А.Н. Упорядочение производственных процессов в растениеводстве [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов, А.В. Пасин, Р.В. Кошелев // Механизация и электрификация сельского хозяйства.- 2008.- № 6.- С.9-11.

8. Важенин, А.Н. Оптимизация технической оснащенности производственных процессов в растениеводстве с учетом условий их функционирования [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов, А.В. Пасин, Н.Н. Малыгина // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ.- 2008.- № 3/28.- С.72-76.

Публикации в материалах международных конференций

9. Важенин, А.Н. Расписание работ и упорядочение параллельных производственных процессов в растениеводстве [Текст] / А.Н. Важенин, Б.И. Горбунов, А.В. Пасин, Б.А. Арютов, Р.В. Кошелев // Актуальные проблемы эксплуатации машинно-тракторного парка, технического сервиса, энергетики и экологической безопасности в АПК: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения Ивана Петровича Терских. - Иркутск: ИГСХА, 2007. - С.29-33.

10. Важенин, А.Н. Учет условий функционирования производственных процессов в растениеводстве при оптимизации их технико-технологических параметров [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов, А.И. Новожилов, А.В. Пасин // Разработка и внедрение технологий и технических средств для АПК Северо-Восточного региона Российской Федерации: Материалы Международной научно-практической конференции.- Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2007.- С.78-81.

11. Арютов, Б.А. Оптимизация технико-технологических параметров производственных процессов в растениеводстве [Текст] / Б.А. Арютов, А.В. Пасин, Н.Н. Малыгина // Фундаментальные исследования.- 2007.- № 11.- С.72-73.

12. Пасин, А.В. Преимущество ресурсосберегающих технологий возделывания сахарной свеклы в решении агроэкологических проблем [Текст] / А.В. Пасин, Б.А. Арютов, В.Н. Разгильдеев // Фундаментальные исследования.- 2007.- № 12.- С.137-138.

Публикации в других изданиях

13. Важенин, А.Н. Уровни прогнозируемых параметров зонального использования техники в весенний период [Текст] / А.Н. Важенин, Б.И. Горбунов, А.А. Юдинцев, Б.А. Арютов // Совершенствование методов организации использования машинно-тракторного парка: Сб. науч. тр. - Горький: ГСХИ, 1985. - С.16-31.

14. Арютов, Б.А. К определению календарных сроков использования техники на полевых работах [Текст] / Б.А. Арютов, Н.С. Орешкин // Совершенствование методов организации использования машинно-тракторного парка: Сб. науч. тр. - Горький: ГСХИ, 1985. - С.72-74.

15. Арютов, Б.А. К вопросу автоматизации проектирования производственных процессов [Текст] / Б.А. Арютов // Совершенствование эксплуатационных качеств тракторов и автомобилей и использования машинно-тракторного парка: Сб. науч. тр. - Горький: ГСХИ, 1986. - С.116-119.

16. Важенин, А.Н. Зависимость коэффициентов погодности от температуры воздуха и календарных сроков проведения механизированных полевых работ [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Б.А. Арютов // Совершенствование методов планирования использования машинно-тракторного парка: Сб. науч. тр. - Горький: ГСХИ, 1987. - С.9-21.

17. Арютов, Б.А. Градация условий проведения полевых работ [Текст] / Б.А. Арютов // Совершенствование методов использования машинно-тракторного парка: Сб. науч. тр. - Горький: ГСХИ, 1988. - С.15-22.

18. Важенин, А.Н. Оценки использования МТП по условиям эксплуатации [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов // Совершенствование методов использования машинно-тракторного парка: Сб. науч. тр. - Горький: ГСХИ, 1988. - С.23-31.

19. Важенин, А.Н. Потребность в обеспеченности тракторами / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов, В.Е. Береснев // Совершенствование методов прогнозирования и использования машинно-тракторного парка: Сб. науч. тр. - Горький: ГСХИ, 1990. - С.22-27.

20. Арютов, Б.А. К учету метеорологических условий в сфере эксплуатации МТП [Текст] / Б.А. Арютов // Совершенствование методов прогнозирования и использования машинно-тракторного парка: Сб. науч. тр. - Горький: ГСХИ, 1990. - С.45-52.

21. Обоснование и расчет календарных темпов работы и состава технологических звеньев (Рекомендации) [Текст] / А.Н. Важенин, Б.И. Горбунов, В.Е. Береснев, А.А. Юдинцев, Б.А. Арютов: Рекомендованы НТС Госагропрома РСФСР. - Горький: ГОПВАПНТО, 1990.-35 с.

22. Планы и методические указания по производственной практике студентов 4 курса факультета механизации сельского хозяйства [Текст] / А.Н. Важенин, В.И. Шухрин, Н.Н. Майоров, В.Е. Береснев, Б.А. Арютов. - Н. Новгород: НСХИ, 1991.-14 с.

23. Важенин, А.Н. Статистическая оценка надежности машинно-тракторных агрегатов [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов // Совершенствование методов организации и использования машинно-тракторного парка: Сб. науч. тр. - Н. Новгород: НСХИ, 1992. - С.19-29.

24. Расчетно-практические занятия по курсу «Эксплуатация МТП с использованием микропроцессорной техники» [Текст] / А.Н. Важенин, Н.Н. Майоров, В.И. Шухрин, А.И. Новожилов, А.А. Юдинцев, А.В. Царьков, Б.А. Арютов, Е.В. Лузина: Методические указания. - Н. Новгород: НСХИ, 1993.-77 с.

25. Определение оптимального состава МТП с учетом складывающихся условий [Текст] / А.Н. Важенин, В.Е. Береснев, В.И. Шухрин, Н.Н. Майоров, А.А. Юдинцев, А.В. Пасин, Е.В. Лузина, А.В. Царьков, Б.А. Арютов, А.И. Новожилов: Методическое пособие. - Н. Новгород: НГСХА, 1994.-33 с.